Цупиков С.Г. (ред.) Справочник дорожного мастера

Подождите немного. Документ загружается.

Климат района строительства Среднегодовая температура воздуха,

°С

Максимальная высота насыпи,

Суровый

Холодный

Умеренный

Теплый

ниже -2

от -2 до 1

от 1 до 6

более 6

2,5

3,5

4,5

без ограничения

Высоту насыпей, возводимых из глинистых грунтов, ограничивают исходя из требований

обеспечения оттаивания их в первый летний сезон.

Возведение земляного полотна в зимнее время организуют различными

способами в зависимости от поставленных задач и местных условий.

Наиболее часто встречаются две задачи. Первая - устройство выемок с

удалением грунта в отвал или в насыпь. Вторая - разработка грунтового

карьера с укладкой грунта в насыпь. В общем виде технологическая схема

работ по разработке выемок или отсыпке насыпей в зимних условиях состоит

из следующих операций: подготовка выемки или основания насыпи;

подготовка грунта в выемке или карьере к разработке; разработка грунта;

погрузка грунта в транспортные средства, перевозка и разгрузка его на месте

укладки; разравнивание; уплотнение.

Под подготовкой основания насыпи понимают:

1) расчистку полосы отвода от всех предметов, мешающих нормальному

производству работ зимой;

2) снятие растительного слоя;

3) устройство постоянных и временных водоотводных устройств;

4) доуплотнение основания насыпи.

Недоуплотненное основание насыпи после оттаивания может дать

неравномерные осадки, что приведет к деформациям насыпи.

Все перечисленные операции необходимо выполнять до наступления

морозов.

Разработку грунта в выемке или карьере следует вести в 2...3 смены, что

уменьшает глубину промерзания забоя.

Утепляющий материал убирают с площади, соответствующей сменному

объему работ (рис. 4.3.3).

Рис. 4.3.3. Схема разработки выемки:

1 - разрыхленный мерзлый грунт; 2 - теплоизоляционный материал; 3 - слой

неразрыхленного мерзлого грунта толщиной 0,4 м; 4 - опасная зона для работы

рыхлителя; 0,2- недобор грунта в выемке

Для уменьшения намерзания грунта ковши экскаваторов, скреперов и

кузова автосамосвалов рекомендуется смазывать

несколько раз в смену концентрированным раствором технического

хлористого кальция или водным раствором хлористого натрия.

Транспортирование, разравнивание и уплотнение грунта должно

производиться в максимально короткие сроки. Это связано с потерями тепла

грунтом и ухудшением уплотнения талого грунта. Уплотнение необходимо

заканчивать раньше, чем температура связанного талого грунта упадет ниже

+2С, а несвязанного - ниже 1С (табл. 4.3.14).

Таблица 4.3.14

Время, в течение которого грунт обладает способностью к уплотнению

Температура воздуха,

°С

Содержание комьев, % общего объема грунта

Время, мин, при скорости ветра, м/с

3 7 10 Более 10

выше -10

до 10

10...20

20...30

240

180

120

180

130

140

130

120

-10...-17

до 10

10...20

20...30

150

110

120

100

-17...-25 до 10 120 90 70 60

10...20

20...30

Наибольшие потери тепла грунтом происходят при разравнивании и уплотнении грунта.

Поэтому рекомендуется эти операции проводить на минимально небольшом участке работ

высокопроизводительными машинами.

В целях уменьшения теплопотерь необходимо отсыпать насыпь слоями возможно

большей толщины. Наилучшие результаты при уплотнении дают катки с

большеразмерными пневматическими шинами, поскольку глубина уплотнения

пропорциональна площади контакта рабочего органа уплотнителя с грунтом.

Важное значение имеет вопрос использование мерзлого грунта при

возведении насыпей в зимнее время.

Для обеспечения высокого качества уплотнения грунтов и уменьшения их

последующей осадки отсыпку насыпи следует производить из талых грунтов

(грунты, имеющие к моменту уплотнения температуру 0,5°С и выше).

Однако в производственных условиях трудно полностью исключить

попадание мерзлого грунта в насыпь (табл. 4.3.15).

Таблица 4.3.15

Допускаемые размер и содержание мерзлого грунта в насыпи

Тип уплотняющей машины Предельное содержание мерзлого грунта,

Максимальный размер комьев,

см

Трамбующая плита или

машина

25...30 25...30

Каток на пневматических

шинах:

массой 50 т

массой 25 т

20...25

15...20

20...25

15...20

Если в тело насыпи уложено более 30 % мерзлого грунта, то в процессе оттаивания осадка

насыпи может достигнуть 10 % и более полной высоты. При высокой влажности мерзлых

комьев грунта возможно расползание насыпи.

Насыпи в зимних условиях необходимо отсыпать с некоторым запасом на

их осадку после оттаивания. Дополнительная высота насыпи определяется по

методике, предложенной Ю.М. Васильевым.

Насыпи, возводимые в зимнее время, должны иметь такую же

устойчивость, как и насыпи, возводимые в теплый период года. Для

достижения требуемого качества возведения земляного полотна необходимо

выполнять ряд требований [17]:

1. Насыпи необходимо возводить только из талого грунта, ограничивая

количество и размер мерзлых комьев грунта в насыпи (табл. 4.3.15).

2. Наличие снега и льда в насыпи не допускается. Укладка грунта во время

сильных снегопадов и метелей должна прекращаться.

3. Основания под насыпи, возводимые в зимнее время, следует

подготовить заблаговременно при положительной температуре воздуха.

4. Верхнюю часть насыпи на толщину 0,8...1,2 м следует отсыпать только

из талого грунта. Укладка мерзлого грунта допускается на расстоянии не

ближе 1 м от поверхности откосов насыпи.

5. Несвязанные грунты допускается укладывать в насыпь при влажности,

превышающей оптимальную не более чем в 1,2...1,3 раза, а связанные грунты

- при влажности, не более чем в 1,1 раза превышающей оптимальную.

6. После прекращения снегопадов и метелей необходимо полностью

удалить снег и лед с насыпи.

7. Основание под насыпь тщательно очищать от снега и льда

8. Отдельные участки насыпи должны сопрягаться между собой уступами

шириной не менее 1 м по каждому слою.

9. Земляное полотно должно быть par бито на местности до начала

заморозков.

10. Технический контроль работ по возведению земляного полотна

непрерывно проводится лабораторией, для чего на месте работ организуют

контрольные посты.

Контрольные посты выполняют следующие задачи:

1. Обследование выемок и резервов осенью и перед началом разработки

грунта зимой. В задачу обследования входит определение влажности и

плотности грунтов.

2. Контроль за соблюдением установленных требований по очистке

поверхности насыпи и ее основания от снега и льда, а также за прекращением

работ при снегопадах и метелях.

3. Определение режима работ уплотняющих машин на месте опытным

путем.

4. Контроль качества уплотнения грунтов согласно действующим

инструкциям.

5. Контроль за содержанием мерзлых комьев в грунте. Контрольные пробы

отбираются до уплотнения грунта на каждые 300...500 м

, уложенных в тело

насыпи.

4.4. Возведение земляного полотна в районе вечной мерзлоты

Вечномерзлыми называют грунты и материковые породы с отрицательной

температурой, не подверженные сезонным колебаниям.

Вечная мерзлота занимает более 50 % всей территории России, а на

Дальнем Востоке она охватывает 80 % территории. Среднегодовая

температура воздуха в этих районах отрицательная и на Крайнем Севере

понижается до -16°С. В приморских тундрах часты ураганные ветры.

Годовое количество осадков на большей части территории невелико и

составляет 140...320 мм. Толщина снежного покрова, особенно в тундре, не

превышает 30...40 см.

Большинство вечномерзлых грунтов насыщено льдом. В ряде случаев

льдистость мерзлых грунтов достигает 80 %, а иногда он полностью замещен

мощными ледяными включениями.

Мощность вечной мерзлоты по глубине весьма различна и составляет от

нескольких метров в южных районах вечной мерзлоты до 500 м у берегов

Северного Ледовитого океана. Температура верхнего слоя мерзлых горных

пород обычно колеблется от -3 до -8С, причем она на 4...10С выше

среднегодовой температуры воздуха. Вечная мерзлота сверху и снизу

ограничена слоем грунта, имеющим температуру 0С. Эти поверхности, с

нулевой температурой, соответственно называются верхней и нижней

границами вечной мерзлоты [18, 49, 51].

Грунты с отрицательной температурой, но не содержащие воды или

включающие ее в небольшом количестве, а потому не смерзшиеся и

оставшиеся сыпучим телом, называются сухой мерзлотой.

Существенное значение в условиях вечной мерзлоты имеет состояние

подземных и грунтовых вод. В зависимости от расположения относительно

слоя вечной мерзлоты они подразделяются на три взаимосвязанные

категории:

а) надмерзлотные - залегающие над верхней границей многолетней

мерзлоты;

б) межмерзлотные - расположенные в толще многолетней мерзлоты;

в) подмерзлотные - залегают под слоем многолетней мерзлоты.

По характеру залегания вечномерзлой толщи под деятельным слоем

различают типы сливающейся, несливающейся и слоистой вечной мерзлоты.

Несливающаяся вечная мерзлота. Верхняя граница вечномерзлых

грунтов не сливается с подошвой сезонного промерзания. Между ними

остается пласт постоянно талого грунта. Несливающаяся вечная мерзлота

встречается в южных районах мерзлотного региона, главным образом в

котловинах, долинах и других отрицательных формах рельефа, где

происходят мощные снеговые заносы, а летом протекает вода.

Сливающаяся вечная мерзлота. Верхняя граница вечномерзлых грунтов

сливается с подошвой деятельного слоя. Имеет основное региональное

распространение на севере Азии.

Слоистая вечная мерзлота. Слоистой вечной мерзлотой принято

называть чередование нескольких слоев вечномерзлых горных пород с

пластами талых пород. Она встречается в долинах мигрирующих водотоков.

Талые пласты могут быть исчезающими или поддерживаться за счет

фильтрационного потока.

От поверхности земли вечная мерзлота отделена слоем грунта с сезонным

промерзанием - оттаиванием, который называют деятельным слоем.

При замерзании деятельного слоя происходит пучение, и поверхность

грунта поднимается, при оттаивании наблюдается обратное явление - осадка.

По данным П.И. Мельникова, деятельный слой промерзает с двух сторон

одновременно - и от земной поверхности, и от своей подошвы, то есть от

верхней границы вечномерзлых грунтов.

Мощность деятельного слоя колеблется в пределах 0,8...1,6 м в песчаных

грунтах и 0,2...0,4 м в торфяно-болотистых почвах. На болотах и

заболоченных склонах с толстым слоем мохового покрова верхняя граница

вечной мерзлоты залегает непосредственно под слоем мха. Все склоны гор

северных экспозиций имеют верхнюю границу многолетней мерзлоты на

глубине 0,15...0,2 м. В районах пойм, русел средних и больших рек, с

гравийно-галечными и песчаными грунтами, она достигает 10 м.

Мощность деятельного слоя зависит от многих факторов. Остановимся на

основных:

1. Радиационный баланс поверхности земли. Радиационный или

лучистый баланс тепловой энергии слагается из трех компонентов:

суммарная солнечная радиация, минус отраженная часть этой радиации в

космос, минус длинноволновое эффективное излучение почвы. Теплоприход

суммарной солнечной радиации слагается из тепла прямой солнечной

радиации при ясном небе и тепла рассеянной солнечной радиации при

облачном небе. Максимум прямой солнечной радиации наблюдается на

экваторе, минимум - на полюсах. Естественно, что поступление рассеянной

облаками радиации также убывает с юга на север.

Величина отраженной части радиации зависит от отражательной

способности поверхности земли. Наибольшим поверхностным излучением

обладает заснеженная поверхность земли, от которой больше 80 % солнечной

энергии бесполезно отражается в атмосферу. Наименьшей способностью

отражения обладает свежевспаханная темная влажная почва, которая

усваивает более 90 % суммарной радиации.

2. Конвективный теплообмен. Конвективный теплообмен между

поверхностью земли и воздухом равен произведению коэффициента

теплообмена  на разность температур почвы и воздуха. Если летняя

температура верхнего слоя грунта t

больше температуры воздуха t

, то земля

теряет тепло. Если наоборот, t

< t

, например, при вторжении теплых масс

воздуха с юга, то происходит нагрев грунта. Коэффициент теплообмена

конвекцией определяют по формуле Вирца

ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ (4.4.1)

где V - скорость ветра, м/с.

Если принять, что конвективный теплообмен в энергетическом отношении

равен тепловому радиационному балансу r, то температура верхнего слоя

грунта равна

= t

+ r / ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ (4.4.2)

3. Испарение и конденсация. Наибольшие затраты тепла в общем

тепловом балансе влажных грунтов приходятся на испарение. Особенно

велики эти потери на моховых и болотистых тундрах, где грунт за целое лето

оттаивает только на 30...40 см. При наличии сухих скелетных грунтов

теплопотери на испарение незначительны.

Теплоприход от конденсации в естественных условиях невелик. Однако

при послойной вскрыше грунтов по мере их оттаивания конденсация, а,

следовательно, и выделение тепла, резко возрастают. В этом случае теплый

воздух соприкасается с холодной, периодически обнаженной поверхностью

мерзлых грунтов, и происходит обильное выпадение росы.

4. Снежный покров, его мощность и рыхлость. Теплопроводность

рыхлого снега близка к теплопроводности такого теплоизолятора, как сухой

торф, поэтому потери тепла из литосферы в атмосферу резко уменьшаются.

Разница среднемесячных температур на поверхности снега и под снегом

может достигнуть 40°С и более.

5. Растительный покров, характер растительности. На побережье

арктических и северо-восточных морей преобладают мхи, лишайники и

тундровые травы. Мхи, особенно сфагновые, в летнее время быстро

подсыхают сверху и становятся отличным теплоизолятором. Кроме того, мхи

испаряют большое количество влаги и этим резко понижают свою

температуру. В зимний же период они быстро замерзают и по своим

теплоизоляционным свойствам мало отличаются от обычного льдистого

грунта. В результате такого различия в теплопроводности талого и мерзлого

мхов, вечная мерзлота подо мхом и торфяником прослеживается даже в

относительно южных районах, где под другой растительностью она не

встречается.

А.И. Мамаев установил, что в безветренных районах под любым

растительным покровом, экранирующим летом грунт от солнца, вечная

мерзлота устойчивее, чем на оголенных участках. В районах с интенсивными

зимними ветрами наблюдается обратный эффект в связи с переотложением

снега с оголенных участков в залесенные.

Развитая высокоствольная древесная растительность по берегам северных

рек и озер часто указывает на присутствие русловых таликов глубиной до 5

м.

6. Экспозиция склона и рельеф. Южная экспозиция горных склонов

повышает среднегодовую температуру поверхности земли на 0,5...1,5С

относительно температуры на северной экспозиции.

Возвышенности хорошо обдуваются ветром, и снег переносится в низкие

места. Поэтому мощность вечной мерзлоты под оголенными

возвышенностями в большинстве случаев больше, чем под снегозаносимыми

пониженными местами. Однако, даже при одинаковой льдонасыщенности

грунтов, глубина сезонного оттаивания на возвышенностях больше, чем в

долинах, за счет увеличения амплитуды сезонных колебаний температуры

грунта.

7. Цитологические особенности грунта. Различие в теплопроводности

разных грунтов не превышает 2...2,5 раз. Наибольшей теплопроводностью

обладают подземные льды и крупноскелетные льдонасыщенные грунты,

наименьшей - сухие пески. Глубина сезонного протаивания, прежде всего,

зависит от общей льдонасыщенности грунта. Сухие насыпные грунты

протаивают на глубину в 3...4 раза больше, чем льдистые.

4.4.1. Особенности приложения трассы в районе вечной мерзлоты

Сооружение автомобильной дороги вносит большие изменения в

природный режим вечномерзлых грунтов. Вырубка на полосе отвода

деревьев, кустарника и удаление мохового покрова способствуют

увеличению толщины деятельного слоя. При оттаивании льдонасыщенные

грунты вечной мерзлоты переходят в разжиженное состояние и растекаются

под действием собственной массы.

Оттаивание льдонасыщенного вечномерзлого грунта под невысокой

насыпью вызывает дополнительные осадки или полное расползание насыпей.

При проектировании земляного полотна в районе вечной мерзлоты

прокладку трассы по возможности следует производить на участках:

а) с близким залеганием коренных скальных пород;

б) сложенных на глубину 10 м и более каменистыми, гравелистыми и

песчаными сухими грунтами;

в) с залеганием сухой вечной мерзлоты на глубине 5...6 м;

г) с обеспеченным водоотводом;

д) со слабопокатными склонами южной экспозиции.

Дорогу проектируют в насыпях с рабочими отметками, гарантирующими

снегонезаносимость. Выемки допускаются лишь в случаях крайней

необходимости и только в сухих грунтах.

Нежелательными для проложения трассы являются участки:

а) заболоченные, осушение которых по условиям рельефа затруднительно;

б) с пылеватыми грунтами, которые при оттаивании приходят в плывунное

состояние;

в) с высоким уровнем стояния грунтовых подмерзлотных вод, понижение

которых в условиях вечной мерзлоты сопряжено с большими трудностями;

г) с близким расположением линз ископаемого льда или с интенсивными

наледными процессами.

В зависимости от состава и льдонасыщенности грунтов, режима

деятельного слоя, глубины залегания погребенных льдов, возможны три

принципа строительства:

1. Обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты до подошвы

насыпи и сохранения ее на этом уровне в течение всего периода

эксплуатации дороги. Этот принцип применяют при наличии глинистых

грунтов, с влажностью выше предела текучести, и при особо сложных

мерзлотно-грунтовых условиях (мари, заболоченные тальвеги, замкнутые

впадины с мохоторфяным покровом и мощностью деятельного слоя до 1,0

м). Земляное полотно по первому принципу возводят из привозных грунтов.

2. Ограничение глубины оттаивания грунтов основания. Этот принцип

находит применение при проложении полотна дороги на плоских

водоразделах, пологих склонах гор с мощностью деятельного слоя от 1,0 до

2,5 м. Земляное полотно проектируют в насыпях из несцементированных

обломочных или глинистых грунтов.

3. Обеспечение оттаивания и осушения грунтов под дорожной

конструкцией. Строительство по этому принципу ведут на легкоосушаемых

просадочных грунтах. Третий принцип применяют чаще всего на сухих

участках местности, с мощностью деятельного слоя более 2,5 м, когда

предусматривается заблаговременное оттаивание вечномерзлых грунтов и

осушение дорожной полосы.

Опыт показывает, что деформации земляного полотна происходят при

оттаивании вечной мерзлоты, но вместе с этим грунты в мерзлом состоянии

представляют вполне надежное основание, поскольку грунты как бы

сцементированы мерзлотой.

Выбор конструкции земляного полотна в каждом конкретном случае

решается на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом

не только капитальных, но и эксплуатационных затрат.

Размеры и формы земляного полотна на различных участках зависят от

рельефа местности, продольного профиля дороги, грунтовых,

гидрологических и гидрогеологических условий, а также проектируемых на

данном полотне дорожных одежд.

Поперечные профили земляного полотна, устраиваемые по первому

принципу - обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты до

подошвы насыпи и сохранения ее на этом уровне в течение всего периода

эксплуатации (сохранение вечной мерзлоты), даны на рис. 4.4.1...4.4.4.

При возведении насыпи по первому принципу обязательным условием

является сохранение в неразрушенном состоянии растительного покрова не

только в основании насыпи, но и на всей дорожной полосе (рис. 4.4.1, тип I).

Для предохранения мохорастительного покрова от разрушения в нижней

части насыпи устраивают прослойки из дренирующих грунтов мелких

фракций (не крупнее 50...100 мм) толщиной 0,3...0,5 м (рис. 4.4.1, тип II).

При необходимости уменьшения высоты насыпи или при наличии

дешевых местных теплоизоляционных материалов в основании земляного

полотна укладывают теплоизоляционные прослойки (мох, торф, нестроевая

древесина, шлак) различной толщины (рис. 4.4.1, тип III).